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東華大學熊佳慶課題組 ACS Nano:全纖維驅動器實現環境監護型智能口罩
2025-03-12  來源:高分子科技

  驅-感一體式智能變形材料在機械操控、信息采集、環境探測、智慧醫療和人--環境交互等領域展現出巨大應用前景。這類材料開發的難點在于驅動狀態與感知信息的實時同步反饋,限制其復雜交互場景應用。全纖維結構智能變形材料具備微觀特征可調、高設計性和多功能集成等優勢,有望解決這一難題。采用光電雙模響應材料實現驅動變形、電學感知與變色顯示可突破單一電學傳感局限,有望呈現一種更直觀的人--環境交互方式。以此構建一種集“感知-驅動-反饋”功能于一體的光電雙模纖維膜驅動器,賦予其環境適應性驅動和光電雙重環境交互能力,有望促進感知型軟體機器人和智能可穿戴裝備的探索和發展。


  近日,東華大學熊佳慶課題組以擬態章魚皮膚為靈感,開發了一種光電雙模纖維膜(TCTR感知型驅動器,由光熱-濕氣協同響應的熱致變色纖維層(TCL)和光熱響應纖維層(TRL)構成,實現環境-響應同步“變形-變色-感知”功能。作者提出在微納結構高取向纖維層間設計纖維互鎖過渡層的策略,實現高界面穩定性的雙層結構纖維膜驅動器,展示出色的機械韌性(17.9 MJ m-3光熱轉化效率22.9 ℃ min-1和顯著的顏色變化紫紅色到亮淡黃色,明度變化~68)。這種濕度主導-光熱輔助響應的全纖維驅動器現出優異的變形速率(0.67 cm-1 s-1雙向彎曲曲率(7.37 cm-1)和循環穩定性。基于環境響應驅動誘導電學-視覺雙模傳感策略,通過材料宏微觀結構差異化組裝TCTR可感知觸覺刺激、呼吸狀態、環境溫濕度甚至空氣污染程度,在過濾材料、電子皮膚、智能監護口罩和主動調溫織物等領域展現出多樣化應用前景



  相關研究以“Adaptive All-Fiber Actuator for Human-Environment Interaction”為題發表在《ACS Nano》期刊上。論文第一作者為東華大學博士后張雨凡,通訊作者為熊佳慶研究員。該研究得到國家自然科學基金等項目資助。


全纖維智能驅動器的設計靈感與功能


  受擬態章魚皮膚可產生環境自適應性形變和同步變色行為的啟發,作者開發了一種集“感知-變形-變色”功能于一體的全纖維膜驅動器。基于連續靜電紡絲工藝,制備對濕氣和光熱產生差異化響應的雙層結構纖維膜(TCTR),通過高取向纖維排列和纖維互鎖過渡層策略,既提升了器件界面穩定性,也保障了其綜合驅動性能,使得TCTR在力學性能、光熱-濕氣驅動響應和多模感知能力方面均有優異表現,展示了在雙向驅動、熱源感知、智能口罩和調溫織物等領域的多場景應用(圖1)。


光熱響應層TRL的制造策略與性能


  驅動器的光熱響應層TRL由增強光熱吸收的MXene復合聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維構成。基于高濕度氛圍(RH = 70±5%紡絲誘導PVDF纖維發生相分離,形成的微晶顆粒富集多級結構可調控和提升纖維膜機械韌性與光熱性能,其斷裂應力和應變分別高達21.1 MPa172%,最大比表面積可達13.6 m2 g-1,孔隙體積較光滑狀態提升1.76(圖2。在100 mW cm-2紅外輻射下升溫速率達到22.9 °C min?1這種增強的光熱響應速率有助于促進濕響應層TCL的水汽逸出增強光熱-濕氣雙向驅動。


濕氣響應/溫度可視TCL的制造策略與性能


  驅動器的濕度響應/溫度可視層TCL由不同溫度變色響應差異性熒烷染料(TC)嵌入聚環氧乙烷(PEO)納米纖維構成,基于TC分子中心碳原子內酯環在臨界溫度下可逆開/閉環顯色機制,纖維層在26 °C60 °C可實現連續可逆的顏色變化。高取向結構纖維層除具有更高的機械性能(斷裂韌性1.41 MJ m-3比隨機排列纖維樣品高出近兩倍),其光學變色靈敏度也得到提升展示出從26 °C(暗紫紅色)到60 °C(亮淡黃色)的顯著顏色變化(明度變化高達68),--環境交互過程提供可視化溫度信息(圖3


4 TCTR的光熱-濕氣驅動原理和性能


  TCLTRL纖維層構成了一種由濕氣主導-光熱輔助的全纖維驅動器TCTR通過雙層纖維間吸濕性和熱膨脹差異實現可逆的雙向驅動變形在高濕度下,親水性高比表面積的 TCL層迅速吸濕膨脹,而濕度不敏感的TRL層則體積變形相對小,這種差異化膨脹促使器件向TRL側彎曲。光熱作用下,TRL層快速升溫膨脹,并傳遞熱量給TCL層加速其濕氣逸出和體積收縮,從而放大器件非對稱體積變化使其向TCL側反向彎曲,同時伴隨實時顏色變以可視化環境溫度。通過優化纖維多級結構取向排列,TCTR最佳雙向驅動曲率達到7.23 cm?1,響應速率高達0.67 cm?1 s?1(圖4纖維互鎖過渡層顯著提升了TCTR的界面穩定性和變形持久性,器件可耐受150個雙向驅動循環,驅動性能無明顯下降。


5 TCTR的智能穿戴應用


  利用TCTR可設計多種動態智能織物和可穿戴設備。例如賦予織物從寒冷環境保暖到炎熱環境散熱的動態調溫,有望促進人體微環境智能管控。此外,通過集成電極賦予TCTR形變觸發式摩擦電效應,證實了一種環境監護式智能口罩。通過在口罩中整合PA織物/含電極TCTR模塊基于TCTR變形能力依賴于不同呼吸狀態(氣流與其溫濕度)、空氣質量和環境溫度的原理可觸發呼吸時TCTR/PA層間有效接觸面積差異,產生可區分的電學信號與變色效果,實現人體狀態和環境信息的實時感知,有望提升人體-環境交互舒適性和安全性(圖5


  通過纖維互鎖過渡界面設計增強多級結構-高取向纖維膜的機械性能,作者開發了一種具備光熱-濕氣協同驅動和同步熱致變色功能的全纖維驅動器(TCTR),展示了器件對多種環境信息(觸覺、溫濕度、空氣污染和呼吸狀態)的主動感知功能,并驗證了其作為智能調溫織物和環境監護型智能口罩的可行性。這項工作有望為先進纖維材料開發提供策略參考,并為動態電子皮膚、微型軟體機器人和穿戴健康監護裝備等領域發展提供啟發。


  文章信息:Y Zhang, T Zhang, Y Gu, M Fan, Y Zhang, S Wang, Y Xia,X Zhou, J Xiong*Adaptive All-Fiber Actuator for HumanEnvironment InteractionACS Nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17638

  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17638


  課題組主頁:https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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(責任編輯:xu)
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